JP2017207088A

JP2017207088A - 遊星歯車機構

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Publication number: JP2017207088A
Application number: JP2016097856A
Authority: JP
Inventors: 辻　直樹; Naoki Tsuji; 直樹辻
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-05-16
Filing date: 2016-05-16
Publication date: 2017-11-24

Abstract

【課題】生産性の良い単歯数の歯車のみを用いて、大きな速比でも機構の外径を小さく保つことができる遊星歯車機構を提供する。
【解決手段】共通の遊星キャリアに支持されてお互いに噛み合う、それぞれは単歯数である１対の遊星ギアが周上に複数配置され、第１遊星ギアはサンギアと、第２遊星ギアはリングギアと噛み合う遊星歯車機構において、噛み合い位置を軸方向で３段階にずらすことによって、サンギアと第２遊星ギアおよびリングギアと第１遊星ギアとが径方向で重なり合うことを可能とし、各歯車の噛み合いピッチ円直径を、（リングギア−第２遊星ギア×２）＜サンギア＜リングギア＜（サンギア＋第１遊星ギア×２）とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、機構の中心軸周りを公転しつつ、各歯車の中心軸周りで自転する遊星ギアを備える、遊星歯車機構に関するものである。

基本的な遊星歯車機構は、図４（a ）に示すように、中心部にサンギア、その周りに複数配置された遊星ギア、更にその周りにリングギアを備える構成となっている。しかし、この構成で大きな速比を得るにはサンギアと遊星ギアとの歯数差を大きくする必要があるが、最小歯数には制限があるため、機構全体の径方向寸法が大きくなってしまう。

大きな速比を得るために、複数の遊星歯車機構を直列に連結する方法もあるが、部品点数の増加や、軸受構造の複雑化を招いてしまう。

固定・入力・出力の３要素からなる単列の遊星歯車機構において、大きな速比を得るための構成としては、図４（ｂ）に示すような、大小２つの歯車が一体となった遊星ギアのうち、大遊星ギアとサンギア、小遊星ギアとリングギアとが噛み合う２段遊星ギア式がある。

更に大きな速比を得るための構成としては、図４（ｃ）に示すような、歯数差の少ない２つのリングギアが、遊星キャリアに支持された共通の遊星ギアと噛み合っており、一方のリングギアを固定とするダブルリングギア式が知られている。

Ｈ．Ｎｅｔｚ，Ａ．Ｐａｕｌ編「図解工学・技術の公式」株式会社技術評論社

２段遊星ギア式は、サンギアと大遊星ギアとの１段目および小遊星ギアとリングギアとの２段目の速比を掛け合わせることで、単段の遊星歯車機構に比べると大きな速比を得ることができるが、１段目の組み合わせによって遊星ギアの中心ピッチ円径は決まってしまうため、速比を大きくするべくサンギアと小遊星ギアの歯数を小さくして大遊星ギアの歯数を大きくすると、１段目の最外径の大きさのわりにはリングギアの歯数を大きくすることができず、機構全体の径方向の大きさに制限がある場合はあまり大きな速比を得る事ができない。

ダブルリングギア式は、遊星キャリアを入力とした場合、出力となる可動リングギアが遊星ギアの公転により回転させられる方向と、遊星ギアの自転により回転させられる方向とが逆なのでその差分だけ回転することになり、２つのリングギアの歯数差を小さくすることで大きな減速比が得られる。

リングギアの歯数差が２までであれば、転位歯形を採用するなどして単歯数の遊星ギアに共通で噛み合わせることは出来るが、周上に配置できる遊星ギアは１周を歯数差で等分した数が最大となるため、負荷を分散させるため３つ以上の遊星ギアを配置したい場合は歯数差が３以上となって、遊星ギアには大小歯数の異なるギアを組み合わせた２段式を使う必要がある。

このように２段遊星ギアを周上に複数配置する場合、サンギアとリングギアあるいは２つのリングギアに同時に噛み合わせるには、大小２つの遊星ギアの歯の位置関係を正確に位相合わせする必要があるため、特別な構造や設備が必要で、製造には手間がかかりコストアップにつながる。特に大量生産による償却ができない少量しか生産しない場合はその負担が大きい。また精度誤差が大きくなってしまう問題もある。

本発明はかかる事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、生産性の良い単歯数の歯車のみを用いて、大きな速比でも機構の外径を小さく保つことができる遊星歯車機構を提供することにある。

請求項１の発明は、共通の遊星キャリアに支持されてお互いに噛み合う、それぞれは単歯数である１対の遊星ギアが周上に複数配置され、第１遊星ギアはサンギアと、第２遊星ギアはリングギアと噛み合う遊星歯車機構において、噛み合い位置を軸方向で３段階にずらすことによって、サンギアと第２遊星ギアおよびリングギアと第１遊星ギアとが径方向で重なり合うことを可能とし、各歯車の噛み合いピッチ円直径を、（リングギア−第２遊星ギア×２）＜サンギア＜リングギア＜（サンギア＋第１遊星ギア×２）としたことを特徴とする遊星歯車機構である。

請求項２の発明は、請求項１の遊星歯車機構において、第２遊星ギアに内接して噛み合う第２サンギアを設けたことを特徴とする遊星歯車機構である。

本発明によれば、遊星キャリアを入力とした場合、残るサンギアまたはリングギアのうち一方を固定とし他方が出力となるが、この時の減速比は、（出力ギアの歯数／リングギアとサンギアの歯数差）となり、歯数差を小さくすることで大減速比を得ることができる。

このとき、リングギアとサンギアの歯数差を決めてしまえばサンギアまたはリングギアの歯数は１歯ごとに選択することができ、速比設定の自由度が高い。

また、サンギアを固定にするとリングギアは正転出力、リングギアを固定にするとサンギアは逆転出力となり、両回転方向の出力が得られる。

サンギアの周りには第１遊星ギアだけでその外側には構成部品が無く、またリングギアはサンギアとの歯数差を小さくしようとすると外径は小さくなるので、機構全体の外径を小さくすることができる。

また遊星ギアの歯数は速比に影響しないため、強度や空間配置条件を考慮した任意の歯数に設定でき、第１遊星ギアを小さくすれば機構全体の小径化に有利となる。

各歯車は単歯数であるため、生産性が高く精度維持も容易にできる。

更には、第２遊星ギアに内接して噛み合う第２サンギアを設けると、１つの歯車を追加するだけで２つの遊星歯車機構を直列に連結した構成とすることができ、この第２サンギアを入力とすることでより大きな減速比を得ることができる。

本発明の歯車構成を示す模式図本発明の具体的形状例を示す立体図本発明の追加構成を示す模式図既知の遊星歯車機構を示す模式図

図１（ａ）は本発明の遊星歯車機構を軸方向から見た構成を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）の矢視Ｖとなる側面から見た構成を示している。尚、図１（ａ）には遊星キャリア２３の図示は省略している。また図１（ｂ）の各構成部品はその機能を簡略に表したもので、具体的な形状を示すものではない。

サンギア１０は機構の中心に配置されており、その外周には第１遊星ギア２１が複数配置され、軸方向位置の範囲Ａにおいてサンギア１０と噛み合っている。

第１遊星ギア２１はサンギア１０よりも歯幅が大きく、サンギア１０との噛み合いから外れた範囲Ｂにおいて第２遊星ギア２２と噛み合う。

第１遊星ギア２１と第２遊星ギア２２はともに単歯数であり、共通の遊星キャリア２３に設けられた軸で回転自在に支持される。遊星キャリア２３自体は機構の中心軸上で回転自在である。

第２遊星ギア２２の歯幅も第１遊星ギア２１との噛み合い分よりも大きく、範囲Ｃにおいてリングギア３０と噛み合う。

リングギア３０は機構の中心軸に同心であり、複数配置された全ての第２遊星ギア２２と同時に噛み合う。

このように各歯車の噛み合い位置を軸方向の範囲Ａ、Ｂ、Ｃと３段階でずらすことにより、第１遊星ギア２１とリングギア３０、および第２遊星ギア２２とサンギア１０とが径方向で重なり合うことができるようになり、既知の遊星歯車機構では不可能なほどリングギア３０の直径を小さくして、サンギア１０との歯数差を小さくすることができる。

また、第２遊星ギア２２の位置は、第１遊星ギア２１との噛み合いを維持しつつ機構の径方向には自由に配置可能であるため、その第２遊星ギア２２と噛み合うリングギア３０の径すなわち歯数は任意に設定することができる。

このとき、本構成とすることによって可能となる各歯車の噛み合いピッチ円直径の関係は、（リングギア−第２遊星ギア×２）＜サンギア＜リングギア＜（サンギア＋第１遊星ギア×２）と表すことができる。

次にこの構成における速比を考える。まず遊星キャリア２３を入力としてサンギア１０を固定とした場合、遊星キャリア２３を時計回り（以後ＣＷと記す）に１回転させると、第１遊星ギア２１はＣＷにサンギア１０の歯数分だけ回転し、第２遊星ギア２２は反時計回り（以後ＣＣＷと記す）に同じくサンギア１０の歯数分だけ回転する。

リングギア３０は遊星キャリア２３の回転とともにＣＷに１回転しつつ、第２遊星ギア２２の回転によりサンギア１０の歯数分だけＣＣＷに戻されることになり、その回転数は、（１−サンギアの歯数／リングギアの歯数）となる。

よって減速比で表すと、｛１／（１−サンギアの歯数／リングギアの歯数）｝となり、式を整理すると、｛リングギアの歯数／（リングギアの歯数−サンギアの歯数）｝となる。

（リングギアの歯数＞サンギアの歯数）であるため、減速比はプラスとなり、回転方向は入力と同方向である。

また遊星キャリア２３を入力としてリングギア３０を固定とした場合は、遊星キャリア２３をＣＷに１回転させると、第２遊星ギア２２はＣＣＷにリングギア３０の歯数分だけ回転し、第１遊星ギア２１はＣＷに同じくリングギア３０の歯数分だけ回転する。

サンギア１０は遊星キャリア２３の回転とともにＣＷに１回転しつつ、第１遊星ギア２１の回転によりリングギア３０の歯数分だけＣＣＷに戻されることになり、その回転数は、（１−リングギアの歯数／サンギアの歯数）となる。

よって減速比で表すと、｛１／（１−リングギアの歯数／サンギアの歯数）｝となり、式を整理すると、｛サンギアの歯数／（サンギアの歯数−リングギアの歯数）｝となる。

（サンギアの歯数＜リングギアの歯数）であるため、減速比はマイナスとなり、回転方向は入力と逆方向である。

このように遊星キャリア２３を入力とした場合、減速比は出力ギアの歯数をリングギア３０とサンギア１０との歯数差で割った値となるため、リングギア３０の直径を小さくしてサンギア１０との歯数差を小さくすることにより、正逆両回転方向で大減速比の出力を得ることができる。

速比はサンギア１０とリングギア３０の歯数のみで決まり、第１遊星ギア２１と第２遊星ギア２２の歯数は速比とは無関係であるため、寸法要件や強度・耐久性を考慮して任意に設定することができ、設計の自由度が高い。

また図４（ａ）や図４（ｂ）に示すように、既知の遊星歯車機構で大速比を得るには、サンギアを小さくして遊星ギアを大きくするため、機構全体の外径は、（小×１＋大×２）となるが、本発明の機構で第１遊星ギア２１を小さくすると、（大×１＋小×２）となって外径を小さくするのに有利である。

次に第１遊星ギア２１と第２遊星ギア２２を周上に複数配置する場合の、サンギア１０とリングギア３０に同時に噛み合う条件を考える。

まずリングギア３０の歯数はサンギア１０の歯数よりも大きく、その歯数差をＮとする。またそれぞれの歯車歯形の１ピッチ内の位置を０から１００％で表す「歯形位置」と定義する。

機構中心軸を通り半径方向に伸びる放射断面を考えて中心軸周りに１周させたとき、放射断面におけるサンギア１０とリングギア３０の「歯形位置」は、リングギア３０の方が歯数が多いだけ早く変化し、１周でサンギア１０の「歯形位置」をＮ回追い越すことになる。これは１放射断面におけるサンギア１０とリングギア３０の「歯形位置」の相対関係が同じとなる箇所がＮ箇所存在することになり、その周期は１周をＮ等分する箇所となる。

第１遊星ギア２１とサンギア１０および第２遊星ギア２２とリングギア３０との噛み合い位置は異なる放射断面であるが、複数配置される第１遊星ギア同士および第２遊星ギア同士は同じ歯数であり、それぞれの噛み合いの位置関係はどの配置箇所でも同じである。

またこのとき、遊星ギア対を回転させると第１遊星ギア２１と第２遊星ギア２２は互いに逆転するが、サンギア１０との噛み合い位置は内側でリングギア３０との噛み合い位置は外側であり移動方向が同じであるため、各噛み合い位置での「歯形位置」の相対関係はどの配置箇所でも同じとなる。

よって複数が同時に噛み合う条件は、１放射断面におけるサンギア１０とリングギア３０の「歯形位置」の相対関係が同じとなる箇所で判定することができ、１周をＮ等分する箇所となる。

このようにリングギア３０とサンギア１０の歯数差Ｎによって遊星ギア対を配置可能な最大数が決まることになるが、逆に遊星ギア対の配置数を先に決めた場合は、歯数差Ｎを配置数の倍数にすれば成立することになる。

例えば配置数を３とした場合はＮを３，６，９、・・・と３の倍数とすればよく、配置数を４とした場合はＮを４，８，１２、・・・と４の倍数とすればよい。

遊星キャリアを入力としたときの減速比は、（出力ギアの歯数／Ｎ）であり、サンギア１０またはリングギア３０の歯数を１歯ごとに設定すると、減速比は（１／Ｎ）きざみで得ることができる。このように大減速比が欲しい場合はＮを小さくし、細かく減速比を設定したい場合はＮを大きくするなど、速比設定の自由度が高くなる。

図２には各部品の具体的な形状、構成の例を示す。本例ではサンギア１０が固定、遊星キャリアが入力、リングギア３０が出力となる。遊星キャリアは加工性を考慮して２部品を組み立てる構造となっている。

図３には、これまで説明してきた本発明の固定、入力、出力の３要素からなる単列の遊星歯車機構に、第２遊星ギア２２に内接して噛み合う第２サンギア４０を追加した構成を示す。

このように１つのギアを追加してこれを入力とすると、サンギア１０を固定とした場合は、「サンギア１０：固定」、「第２サンギア４０：入力」、「遊星キャリア２３：出力」からなる第１の遊星歯車列と、「サンギア１０：固定」、「遊星キャリア２３：入力」、「リングギア３０：出力」からなる第２の遊星歯車列とを直列に連結した構成となる。

またリングギア３０を固定とした場合は、「リングギア３０：固定」、「第２サンギア４０：入力」、「遊星キャリア２３：出力」からなる第１の遊星歯車列と、「リングギア３０：固定」、「遊星キャリア２３：入力」、「サンギア１０：出力」からなる第２の遊星歯車列とを直列に連結した構成となる。

このときの減速比は、第１の遊星歯車列の速比と第２の遊星歯車列の速比とを掛け合わせたものとなり、第１の遊星歯車列の速比はサンギア固定、リングギア固定いずれの場合でも減速であり、第２の遊星歯車列の速比は本発明の単列の遊星歯車機構の速比であるため、掛け合わせると更に大きな減速比となる。

またこのとき第２サンギア４０が、リングギア３０の内周に等分配置された第２遊星ギア２２と同時に噛み合うことができる条件は、「第２サンギア４０の歯数とリングギア３０の歯数との合計が、第２遊星ギア２２の配置数で割り切れること」となるが、第２遊星ギア２２の歯数を適宜増減することで第２サンギア４０の歯数を調節して、噛み合い条件を満たすことができる。

本説明では減速方向への伝達としたが、入力と出力とを入れ替えれば増速として作用することは明らかである。

以上は本発明の実施例について説明したものであり、各部の構成および形状は、特許請求の範囲に記載された趣旨を満たす範囲において適宜に変更が可能である。

１０サンギア
２１第１遊星ギア
２２第２遊星ギア
２３遊星キャリア
３０リングギア
４０第２サンギア
１００サンギアの噛み合いピッチ円
２１０第１遊星ギアの噛み合いピッチ円
２２０第２遊星ギアの噛み合いピッチ円
３００リングギアの噛み合いピッチ円

Claims

共通の遊星キャリアに支持されてお互いに噛み合う、それぞれは単歯数である１対の遊星ギアが周上に複数配置され、第１遊星ギアはサンギアと、第２遊星ギアはリングギアと噛み合う遊星歯車機構において、噛み合い位置を軸方向で３段階にずらすことによって、サンギアと第２遊星ギアおよびリングギアと第１遊星ギアとが径方向で重なり合うことを可能とし、各歯車の噛み合いピッチ円直径を、（リングギア−第２遊星ギア×２）＜サンギア＜リングギア＜（サンギア＋第１遊星ギア×２）としたことを特徴とする遊星歯車機構。
第２遊星ギアに内接して噛み合う第２サンギアを設けたことを特徴とする請求項１に記載の遊星歯車機構。